PL245531B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents
Kondensator elektrochemiczny Download PDFInfo
- Publication number
- PL245531B1 PL245531B1 PL437690A PL43769021A PL245531B1 PL 245531 B1 PL245531 B1 PL 245531B1 PL 437690 A PL437690 A PL 437690A PL 43769021 A PL43769021 A PL 43769021A PL 245531 B1 PL245531 B1 PL 245531B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrochemical
- electrodes
- electrode
- carbon material
- gluten
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 108010068370 Glutens Proteins 0.000 claims abstract description 14
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 235000021312 gluten Nutrition 0.000 claims abstract description 14
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 19
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 9
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 9
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 6
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 6
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 5
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 5
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 5
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 5
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 4
- RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 3-aminoazetidine-1-carboxylate;hydrochloride Chemical compound Cl.CC(C)(C)OC(=O)N1CC(N)C1 RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000001075 voltammogram Methods 0.000 description 2
- FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 6-{[2-carboxy-4,5-dihydroxy-6-(phosphanyloxy)oxan-3-yl]oxy}-4,5-dihydroxy-3-phosphanyloxane-2-carboxylic acid Chemical compound O1C(C(O)=O)C(P)C(O)C(O)C1OC1C(C(O)=O)OC(OP)C(O)C1O FHVDTGUDJYJELY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ROZSPJBPUVWBHW-UHFFFAOYSA-N [Ru]=O Chemical class [Ru]=O ROZSPJBPUVWBHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 229940072056 alginate Drugs 0.000 description 1
- 235000010443 alginic acid Nutrition 0.000 description 1
- 229920000615 alginic acid Polymers 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 229920001746 electroactive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 231100000053 low toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- -1 poly(tetrafluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000006276 transfer reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny zawierający elektrody z materiału węglowego o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej rozdzielone separatorem, pracujące w elektrolicie w postaci roztworu wodnego soli nieorganicznej. Spoiwem wiążącym materiał węglowy obu elektrod jest gluten w stosunku wagowym do materiału węglowego od 50:50 do 80:20, korzystnie 70:30.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny, którego elektrody zostały wykonane na bazie proekologicznego spoiwa tj. glutenu, z zastosowaniem jako urządzenie do konwersji i magazynowania energii elektrycznej.
Kondensatory podwójnej warstwy elektrycznej KE (ang. Electric Double-Layer Capacitors, EDLCs), zwane również superkondensatorami (ang. Supercapacitors, SCs), stanowią elektrochemiczne urządzenia do magazynowania i konwersji energii. Zbudowane są z dwóch elektrod (przeważnie wykonanych z tego samego materiału) oddzielonych separatorem oraz zanurzonych w elektrolicie.
Główna zasada gromadzenia ładunku w KE polega na oddziaływaniach elektrostatycznych pomiędzy jonami obecnymi w elektrolicie a spolaryzowaną powierzchnią elektrod (mechanizm niefaradajowski). Podczas ładowania KE, pod wpływem przyłożonego z zewnętrznego źródła napięcia, jony o ładunku dodatnim (zwane kationami) przyciągane są do elektrody polaryzowalnej ujemnie. Jednocześnie jony o ładunku ujemnym (zwane anionami) przyciągane są do elektrody polaryzowanej dodatnio [Gonzalez, A., Goikolea, E., Barrena, J., Mysyk, R., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 58, 1189-1206]. Tak zaadsorbowane jony tworzą tzw. podwójną warstwę elektryczną (ang. Electrical Double-Layer, EDL). EDL utworzona jest z ładunku na elektrodzie i jonów o odmiennym znaku z roztworu bezpośrednio sąsiadującym z powierzchnią elektrody [Damaskin, B., Petrii, O., J Solid State Electrochem, 2011,15, 1317-1334]. Podczas zasilania odbiornika energii (wyładowania KE) jony dyfundują od powierzchni elektrod w głąb elektrolitu. Właściwościami, które wyróżniają KE spośród innych elektrochemicznych magazynów energii jest ich stosunkowo wysoka moc właściwa oraz długa żywotność [Simon. P, Gogotsi, Y., Nature Materials, 2020, 19, 1151-1163]. Te specyficzne właściwości wynikają z ograniczonego udziału reakcji elektrochemicznych (tzw. faradajowskich), które stanowią podstawę magazynowania ładunku w tradycyjnych ogniwach drugiego rodzaju (zwanych ogniwami odwracalnymi lub akumulatorami) [Nitta, N., Wu, F., Lee, J., Yushin, G., Materials Today, 2015, 18]. Reakcje te polegają na zrywaniu i tworzeniu nowych wiązań chemicznych. Powolna dynamika reakcji faradajowskich wydłuża czas ładowania/wyładowania, a tym samym ogranicza wartość mocy oraz skraca żywotność akumulatora. Jednocześnie dochodzi do tworzenia nowych faz oraz utrudnień wynikających z zachodzących procesów ubocznych. Materiały, z których wykonane są poszczególne elementy składowe KE wykazują brak lub małą toksyczność na środowisko naturalne, w przeciwieństwie do materiałów stosowanych w ogniwach. Do pozostałych zalet KE należy: wysoka wydajność (sięgająca 95%), niski stopień degradacji materiału elektrodowego oraz wysoki stopień bezpieczeństwa. Znaczącą wadą KE jest stosunkowo niska energia właściwa, przez co urządzenia te nie mogą znaleźć zastosowania dla dłuższego zasilania odbiornika energii. [Lu, M., Beguin, F., Frąckowiak, E., 2013, ISBN: 978-3-527-32883-3].
KE do tej pory miały zastosowanie jedynie w niszowych branżach, np. w stabilizacji częstotliwości sieci elektrycznych [Kopka, R., Tarczyński, W., Journal of Marine Engineering & Technology, 2017, 16, 200-208]. Obecnie są stosowane zamiennie lub w połączeniu z ogniwami fotowoltaicznymi [Jaszczur, M., Hassan, Q., Applied Energy, 2020, 79, 115776] oraz paliwowymi [Siangsanoh, A., Bahrami, M., Kaewmanee, W., Gavagsaz-Ghoachani, R., Phattanasak, M., Martin, J., Nahid-Mobarakeh, B., Weber, M., Pierfederici, S., Maranzana, G., Didieijean, S., Mathematics and Computers in Simulation, 2020, 184, 21-40], gdzie istnieje potrzeba zastosowania impulsów o dużej mocy takich jak: źródła mocy szczytowej, cyfrowe urządzenia komunikacyjne czy turbiny wiatrowe. Ponadto można je znaleźć w urządzeniach codziennego użytku: telefonach komórkowych, laptopach, zabawkach, kamerach video czy pamięci „back-up”. Impuls mocy konieczny jest także w przypadku uruchamiania samochodu. Aktualnie akumulatory (np. litowo-jonowe) posiadają ugruntowaną pozycję na rynku technologii magazynów energii elektrycznej, jednak nie są w stanie zapewnić takich właściwości jak KE. W związku z tym faktem coraz częściej spotyka się rozwiązania hybrydowe - łączące oba układy. W szczególności dotyczy to branży transportu elektrycznego - samochodów osobowych i ciężarowych, tramwajów oraz metra. Połączenie układów zapewnia jednocześnie wysoką energię (pochodzącą z akumulatora) oraz moc dostarczaną przez KE. Urządzenie to jest także głównym źródłem energii podczas przyspieszania czy pokonywania wzniesień oraz jej magazynem podczas hamowania (podczas którego odbierane są duże zasoby energii w krótkim czasie) [Horn, M., MacLeod, J., Liu, M., Webb, J., Motta, N., Economic Analysis and Policy, 2019, 61, 93-103].
Głównym celem prowadzonych obecnie badań w obrębie tematyki KE jest zwiększenie ich energii właściwej do poziomu zbliżonego z akumulatorami. Energia (E) (opisana równaniem 1 może być zwiększona poprzez wzrost pojemności (C) lub/oraz napięcia pracy (U) układu.
PL 245531 Β1
E=|-C-U2(1) gdzie: E - energia[Wh]
C -pojemność kondensatora elektrochemicznego[F]
U - napięcie pracy[V]
Zgodnie z równaniem 2 zwiększenie pojemności (C) układu może nastąpić poprzez zwiększenie powierzchni elektrod (A), dobór substancji o wyższej stałej dielektrycznej (&) oraz zmniejszenie grubości EDL (d).
(2)
[m2] [F-rtr1] gdzie: A - powierzchnia elektrod ε0 - przenikalność elektryczna próżni εΓ - względna przenikalność elektryczna ośrodka [-] d - grubość warstwy EDL [m]
Zastosowanie elektrod o rozwiniętej powierzchni skutkuje uzyskaniem dużych wartości pojemności. Do najczęściej stosowanych materiałów elektrodowych należą węgle o strukturze porowatej [Fic, K., Piwek, J., Płatek, A., Frąckowiak, E., Materials Today, 2018, 21,457-454], tlenki metali przejściowych [Abdah, M., Azman, N., Kulandaivalu, S., Sulaiman, Y., Materials and Design, 2020, 186, 108199] oraz polimery przewodzące [Martins, V., Obana, T., Torresi, R., Journal of Electroanalytical Chemistry, 2020, 114822], Ponadto wzrost pojemności można uzyskać poprzez wykorzystanie reakcji faradajowskich (KE pseudopojemnościowe). Urządzenia te obok wykorzystania podstawowego mechanizmu magazynowania ładunku w EDL są źródłem prądu pochodzącego z reakcji przeniesienia ładunku, w związku z występowaniem substancji zaabsorbowanych na powierzchni i ulegających przemianie faradajowskiej. W tego typu urządzeniach wykorzystuje się materiały zdolne do ulegania powierzchniowym reakcjom redoks (np. tlenki rutenu, polimery elektroaktywne) [Liu, Y., Jiang, S., Shao, Z., Materials Today Advances, 2020, 7, 100072],
Druga strategia poprawy energii właściwej KE dotyczy zwiększenia stosowanego napięcia (L/) pracy. W tym celu poszukuje się elektrolitów o zwiększonej stabilności elektrochemicznej. Elektrolity można podzielić na elektrolity wodne i organiczne oraz ciecze jonowe. Obecnie jako roztwory elektrolitów często wykorzystywane są roztwory wodne, przede wszystkim ze względu na ich niską cenę oraz korzystny profil środowiskowy [Schranger, H., Barzegar, F., Abbas, Q., Current Opinion In Electrochemistry, 2020, 167-174], Do ich zalet należy: wysoka wartość przewodnictwa oraz prosty sposób oczyszczania i suszenia materiałów elektrodowych podczas procesu produkcyjnego. Jednak posiadają znaczącą wadę ograniczającą szersze zastosowanie KE w przemyśle: niskie napięcie robocze (teoretycznie 1,23 V). Powyżej tej wartości na elektrodzie polaryzowanej dodatnio następuje rozkład cząsteczek wody z wydzieleniem tlenu, a na elektrodzie polaryzowanej ujemnie rozkład cząsteczki wody z wydzieleniem wodoru. Elektrolity organiczne pozwalają na uzyskanie napięcia do 2,4 V [Han, J., Yoshimoto, N., Todorov, Y., Fujii, K., Electrochimica Acta, 2018, 281,510-516], Niekorzystnym efektem ich stosowania jest wysoka wartość rezystancji właściwej, skutkiem czego jest spadek mocy KE. Ciecze jonowe (ang. łonie Liquids, ILs) mogą pozwolić na uzyskanie napięcia pracy 3 V, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo z uwagi na ich niską palność i wysoką stabilność termiczną. Wadą cieczy jonowych jest wysoka lepkość oraz stosunkowo niskie przewodnictwo [Martins, V., Torresi, R. Electrochimica Acta, 2018, 270, 453-460],
Materiały węglowe stanowiące główny składnik elektrod KE są zazwyczaj związane materiałem wiążącym, tzw. spoiwem. Rolą spoiwa jest wzajemne połączenie cząstek materiału węglowego, nadanie elastyczności elektrodzie oraz zapewnienie stabilności podczas długotrwałego działania.
Dodatki spełniające rolę spoiwa muszą zapewniać dobre właściwości mechaniczne oraz elektrochemiczne przygotowanych elektrod. Dodatkowo spoiwo nie powinno ograniczać przewodnictwa elektrody, ruchu jonów w porach oraz zwilżalności materiału węglowego. Obecnie w kondensatorach elektrochemicznych pracujących w środowisku wodnym najczęściej stosowanymi lepiszczami są poli(tetrafluoroetylen) (PTFE) oraz polifluorek winylidenu (PVDF). Jednak ze względu na obecność fluoru oraz ograniczone możliwości recyklingu takich elektrod, trwają poszukiwania alternatywnych biodegradowalnych spoiw. W literaturze można znaleźć liczne przykłady „biospoiw” dla kondensatorów elektrochemicznych takich jak: karboksymetyloceluloza (CMC) [Bonnefoi, L., Simon, P, Fauvarque, J.F., Sarrazin, C., Sarrau, J.F., Dugast A. Journal of Power Sources, 1999, 80, 149-155], naturalna celuloza [Bockenfeld, N., Jeong, S.S., Winter, M., Passerini, S., Balducci, A., Journal of Power Sources, 2013, 221, 14-20; Varzi, A., Balducci, A., Passerini, S., Journal of Electrochemican Society, 2014, 161, A368-A375], alginian [Yamagata, M., Ikebe, S., Soeda, K., Ishikawa, M., RSC Advances, 2013, 3, 1037-1040] czy polisacharyd [Varzi, V, Passerini, S., Journal of Power Sources, 2015, 300, 210-222]. Według naszej wiedzy gluten jako spoiwo nie był jeszcze zastosowany do przygotowania elektrod kondensatorów elektrochemicznych.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny z zastosowaniem jako urządzenie do konwersji i magazynowania energii, zawierający elektrody z materiału węglowego o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej (500 + 2000 m2 · g-1) rozdzielone separatorem. Elektrolit stanowi roztwór wodny soli nieorganicznej.
Spoiwem wiążącym materiał węglowy obu elektrod jest gluten w stosunku wagowym do materiału węglowego od 50 : 50 do 80 : 20, korzystnie 70 : 30.
Korzyści płynące z wynalazku umożliwiają:
• wykorzystanie dowolnego elektrolitu wodnego o niskim lub wysokim stężeniu soli;
• wykorzystanie szerokiej gamy materiałów węglowych o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej;
• stosowanie średnich temperatur pracy układu (0 + 50°C);
Zastosowanie rozwiązania według wynalazku pozwoliło nadto na uzyskanie następujących korzyści technologiczno-użytkowych:
• pojemności i energii urządzenia zbliżonej do układów bazujących na nieekologicznych spoiwach jak PTFE czy PVDF (dla węgli aktywnych 80 + 120 F · g-1), • zastosowanie napięcia uwarunkowanego jedynie napięciem rozkładowym elektrolitu, korzystnie - 1,6 V, • zakres temperaturowy pracy urządzenia 0 + 50°C, korzystnie 25°C, • utrzymanie wysokiego przewodnictwa materiału elektrodowego, • tania i łatwa metoda otrzymywania glutenu, • łatwy i szybki sposób formowania elektrod, • brak konieczności użycia rozpuszczalników organicznych podczas formowania elektrod, • możliwość wykorzystania odpadowego glutenu z innych dziedzin przemysłu,
Wynalazek w przykładach realizacji wsparto rysunkiem. Na fig. 1 pokazano pojemność właściwą kondensatorów elektrochemicznych opartych na różnym składzie materiału elektrodowego w zależności od zastosowanej gęstości prądu w 1 mol · L-1 roztworze siarczanu (VI) litu (Li2SO4).
Fig. 2 pokazuje zależność energii właściwej od mocy właściwej (wykres Ragone) kondensatorów elektrochemicznych opartych na różnym składzie materiału elektrodowego w 1 mol · L-1 roztworze siarczanu (VI) litu (U2SO4).
Fig. 3A i fig. 3B przedstawiają woltamperogramy kondensatorów elektrochemicznych opartych na różnym składzie materiału elektrodowego w 1 mol · L-1 roztworze siarczanu (VI) litu (Li2SO4) przy szybkości skanowania 1 mV · s-1.
Fig. 4A i fig. 4B przedstawiają woltamperogramy kondensatorów elektrochemicznych opartych na różnym składzie materiału elektrodowego w 1 mol · L-1 roztworze siarczanu (VI) litu (Li2SO4) przy szybkości skanowania 100 mV · s-1.
Na fig. 5 pokazano powierzchnię właściwą oraz objętość mikro- oraz mezoporów w materiałach elektrodowych o różnym składzie i proporcji materiału węglowego do spoiwa.
Warto zwrócić uwagę, iż pojemność proponowanego rozwiązania wynosi 88 F · g-1 dla składu 70 : 30 węgiel aktywowany gluten (AC : G) oraz 84 F · g-1 dla składu 80 : 20 AC : G dla zastosowanej gęstości prądu 1 A · g-1 i napięcia 1,5 V. Dla popularnego rozwiązania 95 : 5 AC : PTFE pojemność wynosi 102 F · g-1. Energia właściwa sięga 8 Wh · kg-1 (dla 1,5 V) i spada po przekroczeniu gęstości prądu 2 A · g-1 (fig. 2). Propagacja ładunku przy niskich szybkościach skanowania (1 mV · s-1) zarówno dla składu 70 : 30 AC : G oraz 80 : 20 AC : G jest porównywalna z rozwiązaniem 95 : 5 AC : PTFE (fig. 3). Proponowane rozwiązanie charakteryzuje się gorszą propagacją ładunku w przypadku wyższych szybkości skanowania (100 mV · s-1) (fig. 4). Powierzchnia właściwa skonstruowanych elektrod wynosi odpowiednio 903 oraz
939 m3 · g-1 dla składu 70 : 30 i 80 : 20 AC : G (z zastosowaniem węgla aktywnego BP2000). Objętość mikroporów wynosi 0,24 oraz 0,30 m3 · g-1, z kolei objętość mezoporów 1,05 oraz 1,43 m3 · g-1 (fig. 5).
Wynalazek stanowi kondensator elektrochemiczny bazujący na proekologicznym spoiwie - glutenie, którego różne sposoby otrzymywania przedstawiają poniższe przykłady.
Przykład I
W moździerzu porcelanowym umieszczono 0,5 g glutenu oraz 0,5 g węgla aktywnego BP2000. Całość rozdrobniono i wymieszano przy użyciu porcelanowego tłuczka. Następnie układ reagentów przeniesiono do kolby okrągłodennej, do której dodano 100 cm3 mieszaniny woda : izopropanol o stosunku 1 : 1. Całość mieszano w temperaturze 50°C przez 3 h po czym odparowano rozpuszczalnik za pomocą wyparki próżniowej. Z otrzymanej mieszaniny wycięto następnie krążki o średnicy 10 mm i grubości około 100 μm. Wycięte krążki suszono w temperaturze 50°C przez 24 h. Następnie skonstruowano kondensator elektrochemiczny, w którym elektrodę dodatnią i ujemną stanowiły otrzymane wcześniej krążki, które rozdzielono za pomocą separatora GF/A. Tak złożony układ umieszczono w naczyniu 2-elektrodowym typu Swagelok, a następnie nasączono roztworem elektrolitu - 1 mol · L-1 LiSO4.
Tak skonstruowany układ poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1 mV · s-1; 0,8 V), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (0,2 A · g-1; 0,8 V) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (100 kHz 4 10 mHz) w temperaturze 25°C.
P rzykład II
Do porcelanowego moździerza wprowadzono 0,6 g węgla aktywnego BP2000 oraz 0,4 g glutenu. Mieszaninę rozdrobniono przy zastosowaniu porcelanowego tłuczka. Następnie układ reagentów przeniesiono do kolby okrągłodennej, do której dodano 125 cm3 mieszaniny woda : izopropanol o stosunku 2 : 1. Całość mieszano w temperaturze 75°C przez 1 godzinę po czym odparowano rozpuszczalnik za pomocą wyparki próżniowej. Z otrzymanej mieszaniny wycięto następnie krążki o średnicy 10 mm i grubości około 100 μm. Wycięte krążki suszono w temperaturze 75°C przez 12 h. Następnie skonstruowano kondensator elektrochemiczny, gdzie elektrodę dodatnią i ujemną stanowiły otrzymane wcześniej krążki, które rozdzielono za pomocą separatora GF/A. Złożony układ umieszczono w naczyniu 2-elektrodowym typu Swagelok, a następnie nasączono roztworem elektrolitu - 1 mol · L-1 LiSO4.
Tak skonstruowany układ poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1 mV · s-1; 1 V), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (0,2 A · g-1; 1 V) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (100 kHz 4 10 mHz) w temperaturze 0°C.
Przykład III
0,7 g węgla aktywowanego BP2000 oraz 0,3 g glutenu wprowadzono do moździerza porcelanowego. Całość rozdrobniono i wymieszano przy użyciu porcelanowego tłuczka. Następnie układ reagentów przeniesiono do kolby okrągłodennej, do której dodano 150 cm3 mieszaniny woda : izopropanol o stosunku 3 : 1. Całość mieszano w temperaturze 100°C przez 12 godzin po czym odparowano rozpuszczalnik za pomocą wyparki próżniowej. Z otrzymanej mieszaniny wycięto następnie krążki o średnicy 10 mm i grubości około 100 μm. Wycięte krążki suszono w temperaturze 100°C przez 48 h. Następnie skonstruowano kondensator elektrochemiczny, gdzie elektrodę dodatnią i ujemną stanowiły otrzymane wcześniej krążki, które rozdzielono za pomocą separatora GF/A. Złożony układ umieszczono w naczyniu 2-elektrodowym typu Swagelok, a następnie nasączono roztworem elektrolitu - 1 mol · L-1 LiSO4.
Tak skonstruowany układ poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1 mV · s-1; 1,2 V), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (0,2 A · g-1; 1,2 V) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (100 kHz 10 mHz) w temperaturze 50°C.
Przykład IV
Do 0,2 g glutenu dodano 0,8 g węgla aktywnego BP2000. Całość umieszczono w moździerzu porcelanowym oraz rozdrobniono i wymieszano przy użyciu porcelanowego tłuczka. Następnie układ reagentów przeniesiono do kolby okrągłodennej, do której dodano 50 cm3 mieszaniny woda : izopropanol o stosunku 1 : 2. Całość mieszano w temperaturze 20°C przez 24 h po czym odparowano rozpuszczalnik za pomocą wyparki próżniowej. Z otrzymanej mieszaniny wycięto następnie krążki o średnicy 10 mm i grubości około 100 μm. Wycięte krążki suszono w temperaturze 75°C przez 24 h. Następnie skonstruowano kondensator elektrochemiczny, gdzie elektrodę dodatnią i ujemną stanowiły otrzymane wcześniej krążki, które rozdzielono za pomocą separatora GF/A. Złożony układ umieszczono w naczyniu 2-elektrodowym typu Swagelok, a następnie nasączono roztworem elektrolitu - 1 mol · L-1 LiSO4.
PL 245531 Β1
Tak skonstruowany układ poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1 mV-s'1; 1,5 V), galwanostatycznemu ładowańiu/wyładowaniu (0,2 A-g-1; 1,5 V) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (100 kHz-MO mHz) w temperaturze 75°C.
Przykład V
W moździerzu porcelanowym rozdrobniono i wymieszano 0,7 g węgla aktywnego BP2000 oraz 0,3 g glutenu. Po wymieszaniu układ reagentów przeniesiono do kolby okrągłodennej, do której dodano 75 cm3 wody dejonizowanej. Całość mieszano w temperaturze 100°C przez 6 h po czym odparowano rozpuszczalnik za pomocą wyparki próżniowej. Z otrzymanej mieszaniny wycięto następnie krążki o średnicy 10 mm i grubości około 100 pm. Wycięte krążki suszono w temperaturze 100°C przez 12 h. Następnie skonstruowano kondensator elektrochemiczny, gdzie elektrodę dodatnią i ujemną stanowiły otrzymane wcześniej krążki, które rozdzielono za pomocą separatora GF/A. Złożony układ umieszczono w naczyniu 2-elektrodowym typu Swagelok, a następnie nasączono roztworem elektrolitu - 1 mol · L-1 LiSCM.
Tak skonstruowany układ poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1 mV-s'1; 1,7 V), galwanostatycznemu ładowańiu/wyładowaniu (0,2 A-g-1; 1,7 V) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (100 kHz-M0 mHz) w temperaturze 100°C.
Claims (1)
1. Kondensator elektrochemiczny zawierający elektrody z materiału węglowego o silnie rozwiniętej powierzchni właściwej rozdzielone separatorem, pracujące w elektrolicie w postaci roztworu wodnego soli nieorganicznej znamienny tym, że spoiwem wiążącym materiał węglowy obu elektrod jest gluten w stosunku wagowym do materiału węglowego od 50 :50 do 80 :20, korzystnie 70 :30.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL437690A PL245531B1 (pl) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Kondensator elektrochemiczny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL437690A PL245531B1 (pl) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Kondensator elektrochemiczny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL437690A1 PL437690A1 (pl) | 2022-10-31 |
| PL245531B1 true PL245531B1 (pl) | 2024-08-26 |
Family
ID=83852900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL437690A PL245531B1 (pl) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Kondensator elektrochemiczny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL245531B1 (pl) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119581559A (zh) * | 2024-05-11 | 2025-03-07 | 中南大学 | 干法电极粘结剂、干法电极及其制备方法、电池 |
-
2021
- 2021-04-26 PL PL437690A patent/PL245531B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL437690A1 (pl) | 2022-10-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhu et al. | Effects of various binders on supercapacitor performances | |
| Menzel et al. | Agar-based aqueous electrolytes for electrochemical capacitors with reduced self-discharge | |
| Zhang et al. | Nanowire Na0. 35MnO2 from a hydrothermal method as a cathode material for aqueous asymmetric supercapacitors | |
| Li et al. | Studies on preparation and performances of carbon aerogel electrodes for the application of supercapacitor | |
| KR101287435B1 (ko) | 전기 이중층 커패시터용 집전체, 전기 이중층 커패시터용전극, 전기 이중층 커패시터, 및 그들의 제조 방법 | |
| Syahidah et al. | Super-capacitive electro-chemical performance of polymer blend gel polymer electrolyte (GPE) in carbon-based electrical double-layer capacitors | |
| Bandara et al. | Activated carbon synthesized from Jack wood biochar for high performing biomass derived composite double layer supercapacitors | |
| Xun et al. | A biomass-based redox gel polymer electrolyte for improving energy density of flexible supercapacitor | |
| Kasprzak et al. | Chitin as a universal and sustainable electrode binder for electrochemical capacitors | |
| Zhang et al. | Nano-composite of polypyrrole/modified mesoporous carbon for electrochemical capacitor application | |
| Sathiyan et al. | Fabrication of polypyrrole conductive matrix covered MnNi 2 O 4 nanocomposite as a positive electrode material for asymmetric supercapacitor applications | |
| US20110002085A1 (en) | Electrode for capacitor and electric double layer capacitor having the same | |
| Saka et al. | High-performance pseudo-capacitance supercapacitor with highly mesoporous fluorine doped polymeric carbon nitride nanosheets as electrode material | |
| Graś et al. | Electrochemical supercapacitor with thiourea-based aqueous electrolyte | |
| Ramavath et al. | Energy-dense aqueous carbon/carbon supercapacitor with a wide voltage window | |
| Martínez et al. | MnPO4· H2O as electrode material for electrochemical capacitors | |
| KR20170068492A (ko) | 바인더 및 그 이용과, 전극의 제조방법 | |
| WO2018001430A1 (en) | A supercapacitor and a method for expanding the voltage range of an aqueous electrolyte supercapacitor | |
| PL245531B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| KR101095863B1 (ko) | 고출력 슈퍼 커패시터의 전극 및 그의 제조방법 | |
| Elyes et al. | Biomass derived quasi solid state supercapacitors for smart textile integration | |
| Nagao et al. | Activation of an ionic liquid electrolyte for electric double layer capacitors by addition of BaTiO3 to carbon electrodes | |
| CN107706007A (zh) | 一种基于石墨烯与有机小分子的水系锂离子超级电容器 | |
| LI et al. | Preparation and supercapacitive performance of N, S co-doped activated carbon materials | |
| Singh et al. | Development of nitrogen-doped carbon aerogel-based 60 Farad, 4.5 kJ supercapacitor module |